СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

КРАВЦОВА ЮЛІЯ ВІКТОРІВНА

УДК 621.762.4

ВПЛИВ ШВИДКОСТІ НА РОБОЧІ ПАРАМЕТРИ
ПРОЦЕСУ ДЕФОРМУВАННЯ ПОРИСТИХ ЗАГОТОВок
У ВІДКРИТИХ І ЗАКРИТИХ об’ємах

Спеціальність: 05.03.05 - “Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Луганськ – 2004 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Рябічева Людмила Олександрівна,

Східноукраїнський національний університет

імені Влодимира Даля, м. Луганськ,

завідувач кафедри “Прикладне матеріалознавство”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Бейгельзимер Яків Юхимович,

Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, професор кафедри “Обробка металів тиском”;

кандидат технічних наук, доцент,

Стоянов Олександр Анатолійович,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, м. Луганськ, доцент кафедри“

Обладнання для обробки металів тиском”.

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет,

Міністерство освіти і науки України, м. Вінниця.

Захист відбудеться “09” вересня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .051.02 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, 1-й навчальний корпус.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “03” серпня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.02,

доктор технічних наук, доцент Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Методи обробки тиском матеріалів на основі порошків чорних і кольорових металів є однією з складових частин технологій сучасного машинобудування. Низька металоємність, висока розмірна точність, а головне, можливість сполучення високих механічних властивостей з функціональними характеристиками порошкового виробу визначає високу конкурентноздатність даних методів і їхнє поширення у світовій практиці машинобудування.

Матеріали на основі порошків мають більш складну структуру, ніж звичайні метали. Їхні властивості формуються як за рахунок складу компонентів різних матеріалів, так і за рахунок технологічних параметрів процесів їхнього деформування. Відомо, що одним з напрямків у досягненні високих механічних властивостей і необхідних службових характеристик виробу є використання високоенергетичних методів обробки, до яких відносяться високошвидкісні схеми деформування. Однак, розвиток таких методів як штампування пористих заготовок, ударне пресування порошків вимагає більш точного урахування явищ, які супроводжують ці процеси, що, необхідно для розрахунку оснащення і вибору обладнання. Існуючі в літературі дані дуже обмежені і носять часом суперечливий характер. Практично відсутня інформація про вплив швидкості деформації на бічний тиск і коефіцієнт поперечної деформації для різних значень початкової пористості. Знання зазначених параметрів необхідне при проектуванні штампового інструмента для обробки тиском пористих заготовок і порошків.

Для їхнього визначення необхідне проведення спеціальних експериментів, метою яких є встановлення швидкісної чутливості робочих параметрів процесу деформування при різних значеннях початкової пористості. Однак, лише експериментальних даних недостатньо для розуміння природи тих явищ, які супроводжують процеси пластичної течії в порошкових матеріалах. Тому необхідно використання і теоретичних уявлень. У дійсний час механіка обробки тиском пористих матеріалів зосереджена на рішенні квазістатичних проблем і практично не враховує вплив швидкості деформації.

На підставі сказаного, очевидно, що визначення робочих параметрів процесу деформування пористих матеріалів з урахуванням швидкісної чутливості, а також удосконалення теоретичних основ їхнього розрахунку представляє собою актуальну проблему.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з держбюджетною темою ДН–29–02 “Створення технологічних процесів отримання високощільних матеріалів і виробів з них з використанням інтенсивних пластичних деформацій” (№ держреєстрації 0102U002224).

Мета і задачі дослідження. Удосконалення теорії пластичності пористих тіл з урахуванням швидкісної чутливості і розробка методики розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок з метою поліпшення експлуатаційних характеристик порошкового виробу.

Для досягнення наміченої мети поставлені наступні задачі:

- експериментально дослідити вплив швидкості деформації на зміну пористості, зміцнення твердої фази, еволюцію пористої структури при статичному і динамічному деформуванні;

- розробити мікромеханічну модель пластичної течії пористого тіла, яка дозволить якісно оцінити швидкісну чутливість матеріальних параметрів пористого тіла та реологічних властивостей твердої фази;

- розробити феноменологічну модель з урахуванням впливу швидкості деформації на пластичну течію пористого тіла, що дозволить дати кількісну оцінку цього впливу;

- перевірити отримані співвідношення під час розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок при різних механічних схемах;

- розробити рекомендації щодо методики розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок у відкритих і закритих об’ємах.

Об'єкт дослідження: процеси обробки тиском пористих заготовок.

Предмет дослідження: швидкісна чутливість пористих тіл і робочі параметри процесу деформування у відкритих і закритих об’ємах.

Методи дослідження: визначення робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок, а також матеріальних функцій, які фігурують у феноменологічній моделі, виконується на основі проведення експериментів по осьовому стисканню.

Для розробки теоретичних моделей використані визначальні співвідношення теорії пластичності пористих тіл: рівняння зв’язку компонент тензора напруг і тензора швидкостей деформацій; асоційований закон течії пористого середовища; визначення еквівалентної швидкості деформації.

Для статистичної обробки експериментальних даних і рішення задач по перевірці адекватності теоретичних моделей використані стандартні програмні пакети “Mathematica 3.0”, STATISTICA.

Наукова новизна роботи. Вперше експериментально встановлена залежність пористості від швидкості деформації при осьовому стисканні, яка виявляється в досягненні меншої пористості при фіксованому ступені деформації і збільшенні швидкості деформації.

Вперше розроблена мікромеханічна модель, яка дозволяє на якісному рівні встановити швидкісну залежність пластичного коефіцієнта Пуассона, який характеризує поперечну деформацію і є функцію пористості.

Вперше сформульована узагальнена феноменологічна модель теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл, яка дозволяє дати кількісну оцінку впливу швидкості деформації на пластичну течію.

В рамках запропонованої феноменологічної моделі дано новий вид функцій пористості, які враховують швидкісну чутливість пористих тіл.

В якості критерію руйнування при наявності напруг, що розтягують, запропоновано розглядати критичний ступінь деформації, який характеризує виникнення руйнувань на мікрорівні.

Вперше запропоновані математичні залежності для визначення вихідних розмірів заготовки і тиску пресування при стисканні в прес-формі з гладкими жорсткими стінками і радіальному обтисненні з урахуванням швидкісної чутливості пористого матеріалу.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонована методика розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок з урахуванням швидкісної чутливості, яка дозволяє знизити енерговитрати при одночасному поліпшенні якості виробів з порошкових матеріалів, а також збільшити стійкість оснащення за рахунок зниження величини бічного тиску.

Особистий внесок здобувача. Автором проведені експериментальні дослідження осьового стискання пористої міді. Здійснена статистична обробка експериментальних даних. Проаналізовані отримані результати.

Розроблені мікромеханічна і феноменологічна моделі пластичної течії пористих тіл. Виконана перевірка адекватності моделей.

Розроблені залежності для розрахунку вихідних розмірів заготовки і тиску пресування з урахуванням швидкісної чутливості при стисканні в прес-формі з гладкими жорсткими стінками і радіальному обтисненні.

Розроблена методика розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок з урахуванням швидкісної чутливості.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати дослідження доповідалися й обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях:

международной конференции “Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике” (2003, Киев, Украина);

відкритій Всеукраїнській конференції молодих вчених “Сучасні питання матеріалознавства” (2003, Харків, Україна);

международной конференции VII Забабахинские научные чтения (2003, Снежинск, Россия);

международной научно-технической конференции “Новые достижения и перспективы развития процессов и машин обработки давлением” (2003, Краматорск, Украина);

международной конференции “Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени” (2002, Киев, Украина);

VII международной конференции “Высокие давления – 2002” (2002, Донецк, Украина);

VI міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (2002, Дніпропетровськ, Україна);

1-ой Евразийской научно-технической конференции “Прочность неоднородных структур” (2002, Москва, Россия);

международном семинаре “Компьютерное проектирование технологий современного материаловедения” (2002, Запорожье, Украина);

международной научной конференции “Вопросы современного материаловедения”, Стародубовские чтения – 2002 (2002, Днепропетровск, Украина);

другій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (2002, Дніпродзержинськ, Україна);

IV Международной научно-технической конференции “Университет и регион” (2001, Луганск, Украина);

міжнародній науково-технічній конференції “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском” (2001, Вінниця, Україна);

науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (2001- 2004, Луганськ, Україна).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень опубліковані в 11 друкованих роботах у збірниках наукових праць і журналах, які входять до переліку фахових видань, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг роботи 200 сторінок машинописного тексту, у тому числі основного тексту 146 сторінок, 42 рисунки, 16 таблиць, 3 додатки і список використаних джерел з 202 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі дослідження, показаний зв’язок роботи з науковими темами. Відзначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також приведені відомості про використання результатів, апробації роботи і публікаціях по темі дисертації.

У першому розділі проведений аналіз літературних даних, присвячених вивченню впливу швидкості деформації на поведінку компактних і пористих матеріалів. Показано, що з ростом швидкості деформації опір деформуванню росте, а пластичність падає. Накопичений досвід по вивченню впливу ступеня і швидкості деформації на формування структури в компактних металах з різними кристалічними ґратками, дозволив Мільману Ю.В., Підрізову Ю.М., Трефілову В.І., Фірстову С.О. та ін. пояснити механізми деформування пористих матеріалів і зв’язати аномалії, властиві поводженню подібного роду матеріалів, з апріорною наявністю пор і їхньою морфологією.

Існуючі аналітичні залежності, які характеризують вплив швидкості деформації на розвиток процесу деформаційного зміцнення формулюються щодо співвідношення напруг течії при різних швидкостях деформації. Деякі з запропонованих виразів для пористих матеріалів дозволяють враховувати ефекти пористості на розвиток деформаційного зміцнення, тобто в залежності від схеми деформації враховується характер її еволюції з ростом ступеня деформації. Однак у літературі немає ніяких даних про те, як впливає швидкість деформації на зміну пористості.

Для рішення задач деформування пористих матеріалів широко використовуються моделі теорії пластичності пористих тіл, основний внесок у розвиток якої внесли Баглюк Г.А., Бейгельзимер Я.Ю., Грін Р.Дж., Ковальченко М.С., Лаптєв О.М., Мідуков В.З., Петросян Г.Л., Перельман В.Е, Сегал В.М., Скороход В.В., Штерн М.Б., Abouaf M., CocksShimaOyaneта ін. Особливості поводження пористих тіл (значна мікронеоднорідність, незворотня стисливість) з урахуванням ряду допущень (ізотропність, однорідність, сплошність, незалежність від третіх інваріантів) знайшли відображення в моделях двох типів. Перші з них – мікромеханічні, в яких матеріальні функції і константи визначаються шляхом рішення задач з використанням репрезентативного елементу у вигляді комірок з різною конфігурацією. Другі засновані на феноменологічному підході, що базується на узагальненні існуючих експериментальних даних і подальшому визначенні матеріальних функцій і констант. В якості матеріальних функцій у моделях обох типів частіше усього виступають функції пористості, які можуть бути визначені різними способами. Крім пористості вони можуть містити інші характеристики пористого матеріалу. Однак серед усього різноманіття використовуваних функцій в існуючих моделях не запропоновано жодного формулювання, яке б містило параметри чутливості пористої структури до швидкості деформації.

У сучасних моделях теорії пластичності пористих тіл визначальні рівняння зв’язку компонент тензора напруг і тензора швидкостей деформацій представляють у виді добутку двох незалежних факторів. Перший з них визначається пористою структурою матеріалу, другий залежить тільки від реологічних властивостей твердої фази (механізму її течії). Роблячи розрахунки по даним моделям, з використанням визначальних співвідношень у подібному їхньому формулюванні представляється можливим враховувати вплив швидкості деформації лише на напругу течії твердої фази. Зміна пористості в процесі деформування виявляється інваріантною щодо швидкості деформації.

Спроби урахування впливу швидкості деформації в мікромеханічних моделях теорії пластичності пористих тіл привели до одиничних рішень, у яких чітко просліджується швидкісна чутливість матеріальних функцій (R., P.). Питання швидкісної чутливості тісно зв’язані також і з механізмом деформації. Використання феноменологічного підходу до вирішення цієї проблеми до дійсного часу не мало достатньої бази із-за відсутності необхідних експериментальних даних.

Особливості технології високошвидкісного (динамічного) деформування пористих матеріалів мають ряд переваг перед статичними методами обробки. Методи високошвидкісного пресування порошків дозволяють зменшити енерговитрати на створення високого тиску, потрібного для досягнення необхідної щільності заготовки, збільшити продуктивність процесу, знизити вартість основного обладнання. Застосування високошвидкісного пресування дозволяє знизити коефіцієнт бічного тиску, у наслідок чого зменшуються втрати на тертя і знос прес-форм.

Як показано в літературі, механічні властивості заготовок, отриманих методами високошвидкісного пресування вище, ніж при статичному пресуванні, що у багатьох роботах при пресуванні вільно насипаного порошку пояснюється виникненням на контактах часток великих локальних пластичних деформацій і їхнім схоплюванням у процесі ущільнення за рахунок підвищення температури.

На основі аналізу накопиченого теоретичного й експериментального досвіду в області дослідження впливу швидкості деформації на пластичну течію різних матеріалів сформульовані мета і задачі роботи.

В другому розділі розглянута методика проведення експериментальних досліджень осьового стискання пористих зразків при статичному і динамічному навантаженні. Вибір стабілізованого мідного порошку марки ПМС-1 для виготовлення пористих зразків обґрунтований тим, що поза залежності від умов деформування, у тому числі і при розігріві зразка, мідь зберігає свою однофазну структуру, не перетерплюючи поліморфних перетворень.

Осьовому стисканню при статичному і динамічному деформуванні піддавали зразки, отримані методом двостороннього пресування мідного порошку на випробувальній машині зусиллям 100 кН і наступного спікання у вакуумній печі опору СНВЭ 1,3.1/16З протягом однієї години. Розміри зразків після спікання склали діаметр - 7,8 мм, висота - 15 мм.

Для кожної серії експериментів шляхом варіювання масою порошку при незмінності геометричних розмірів зразків були виготовлені партії зразків з різною початковою пористістю – 6, 10, 13, 15 і 20%. Для кожної пари параметрів – пористість, швидкість деформації було продеформировано по 18 зразків з розрахунку по 3 зразки на кожен ступінь деформації.

Іспити на осьове стискання при статичному навантаженні здійснювали на випробувальній машині ZD-4 із зусиллям 40 кН, яка оснащена маховиком з лімбом, що дозволяє встановлювати різні швидкості навантаження. У процесі деформування записували індикаторну діаграму стискання. В якості змащення використовували плівку фторопласту. Стискання здійснювали до ступеня відносної деформації 30%.

Для вивчення еволюції пористості зразки з різною вихідною пористістю деформували до фіксованих значень ступеня деформації – 5, 10, 15, 20, 25 і 30%. Деформацію по висоті фіксували обмежувальними кільцями. Поточне значення щільності пористих заготовок визначали гідростатичним зважуванням згідно до ГОСТ 18898-89, значення пористості визначали по формулі:

(1)

де - щільність пористого тіла; - щільність компактного матеріалу, що не містить дефектів типу пор.

При побудові кривих зміцнення деформуючу напругу розраховували по формулі:

(2)

де - навантаження; - початкова площа поперечного перетину зразка; і - відносна деформація і зміна пористості відповідно.

Швидкість деформації, виходячи з встановлених швидкостей руху деформуючого інструмента, розраховували по формулі:

(3)

де - швидкість інструмента.

Розраховані по формулі (3) величини швидкостей деформації склали 0,002, 0,01 і 0,2 с-1.

Для проведення експериментів по осьовому стисканню при динамічному деформуванні використовували зразки з вихідною пористістю 6, 13 і 20%. Стискання зразків до ступеня відносної деформації 5-30% здійснювали на лабораторному пароповітряному штампувальному молоті з масою падаючих частин 160 кг із максимальною швидкістю нанесення удару до 7 м/с. Варіація швидкостей до моменту удару досягалася підняттям падаючих частин на відповідну висоту. Для запобігання руйнуванню зразків використовували обмежувальні кільця. У якості змащення, також як і при статичному навантаженні використовували плівку фторопласту.

Реєстрацію зусилля деформації, часу деформації і переміщення баби здійснювали за допомогою електронного осцилографу С1-34, який має чутливість, що дозволяє знімати сигнали безпосередньо з тензодатчиків месдози без зовнішніх підсилювачів. Зусилля деформації вимірювали за допомогою спеціального штампа з убудованою в його нижню половину месдозою з необхідною частотою. Швидкість падаючих частин молота перед ударом і швидкість деформації зразків визначалася як частка від розподілу ходу падаючих частин і деформації відповідно на фактичний час. Швидкості деформації склали 97, 160 і 220 с-1.

При обробці осцилограм деформування розглядали як стаціонарний процес, при якому швидкість інструмента постійна. Для відшукання дійсних значень прикладеної сили використовували методику, що заснована на теорії коливань. У зв’язку з цим для побудови кривих зміцнення використані максимальні значення сили, що спостерігаються на осцилограмах, у припущенні, що швидкість інструмента близька до початкової.

Для дослідження впливу ступеня і швидкості деформації на еволюцію геометричних параметрів просторової мікроструктури - морфологію і розмір пор використовували методи стереометричної металографії, які у свою чергу ґрунтуються на положеннях математичної статистики, що дозволяє враховувати усереднення характеристик розподілу пор у матеріалі. Джерелом одержання інформації є металографічні шліфи. Кількісний мікроструктурний аналіз виконували по зображенню пористої структури на мікрофотографіях, використовуючи прозорий шаблон з лінійкою. Фотографування здійснювали на мікроскопі NEOPHOT зі збільшенням у 500 разів.

З метою дослідження впливу швидкості деформації на зміцнення матеріалу твердої фази визначали щільність дислокацій пористих зразків методами апроксимації і гармонійного аналізу профілю рентгенівської лінії (ГАПРЛ) на приладі ДРОН-6.

.На кожному етапі проведення експериментальних досліджень, починаючи з виготовлення зразків, обробки отриманих експериментально даних, і закінчуючи перевіркою адекватності теоретичних моделей і методики розрахунку робочих параметрів процесу деформування при стисканні в прес-формі з гладкими жорсткими стінками, а також при виборі апроксимуючих рівнянь і визначенні чисельних значень констант, використовували методи статистичної обробки, які здійснювали на ПЭОМ із використанням стандартних програмних пакетів “Mathematica .0” і STATISTICA.

Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню впливу швидкості і ступеню деформації на еволюцію пористості і зміцнення твердої фази пористих зразків при статичному і динамічному навантаженні. Основна увага приділена дослідженню процесу зменшення пористості з ростом швидкості і ступеня деформації, що приводить до загального ущільнення зразка (рис.1).

У той час як ефект зменшення пористості з ростом ступеня деформації досить вивчений, дані по впливу швидкості деформації отримані вперше. З ростом швидкості деформації зменшується значення ступеня деформації, при якому виявляється помітний вплив швидкості. Відчутні розходження у величині пористості, яка досягається при статичному деформуванні, спостерігаються при 0,15-0,20, а при динамічному вже при деформації 0,10.

а б

Рис.1. Зміна пористості при стисканні: а) и0 = 6%; б) и0 = 20%;

1 – 220 с-1; 2 – 160 с-1; 3 – 97 с-1; 4 – 0,2 с-1; 5 – 0,01 с-1; 6 – 0,002 с-1

Приймаючи залежність поточної пористості від ступеня деформації у відомому вигляді:

(4)

аналіз процесу ущільнення виконується з позицій інтенсивності його протікання, коефіцієнтом інтенсивності ущільнення є параметр . Визначення його чисельного значення представляється можливим при логарифмуванні виразу (4) і побудові залежностей (рис.2).

а б

Рис. 2. Вплив ступеня деформації на зміну пористості: а) 0,002 с –1; б) 220 с –1;

1 - и0 = 6%; 2 - и0 = 10%; 3 - и0 = 13%; 4 - и0 = 15%; 5 - и0 = 20%

Очевидно, стадійний характер процесу ущільнення, що виявляється на рис.2, свідчить про різні механізми його протікання. У відповідності до кожної зі стадій можна поставити коефіцієнт інтенсивності ущільнення , який зменшується з ростом ступеня деформації і вихідної пористості в середньому в 1,2-1,8 рази (для більших значень пористості в 2,0-2,5 рази) і збільшуються в 1,5-2 рази з ростом швидкості деформації.

Закономірності деформаційного зміцнення твердої фази пористого матеріалу аналогічні відомим для компактних металів – напруга течії зростає зі збільшенням ступеня і швидкості деформації. У якості закону зміцнення твердої фази може бути використана залежність Людвика:

(5)

де і - поточний і початковий опір деформації твердої фази відповідно; N і n - коефіцієнт і показник деформаційного зміцнення.

Аналіз кривих у логарифмічних координатах показав незначний вплив швидкості і ступеня деформації на показник деформаційного зміцнення , який в подальшому розгляді приймається рівним 0,97, що відповідає значенню для компактної міді. Для вивчення особливостей структурного стану пористих зразків при різних ступенях та швидкостях деформації і визначення коефіцієнта деформаційного зміцнення криві зміцнення побудовані в координатах (рис.3).

а б

Рис.3. Криві зміцнення пористої міді : а) 0,002 с –1; б) 220 с –1;

1 - и0 = 20%; 2 - и0 = 15%; 3 - и0 = 13%; 4 - и0 = 10%; 5 - и0 = 6%

При статичному навантаженні в процесі деформування реалізуються три стадії структуроутворення від легкого ковзання на першій стадії до утворення комірчастої структури на третій, при динамічному навантаженні перша стадія вважається подавленою і ковзання починається відразу по декільком системам. Чисельні значення коефіцієнта деформаційного зміцнення зменшуються з ростом ступеня деформації і зростають з ростом швидкості деформації відповідно до кожної зі стадій структуроутворення.

Визначено щільність дислокацій твердої фази. Встановлено більш істотний вплив швидкості деформації на ріст щільності дислокацій пористого матеріалу в порівнянні з відомими даними для компактних металів.

Досліджено вплив швидкості деформації на еволюцію геометричних параметрів просторової мікроструктури. З ростом швидкості деформації середній статистичний розмір пор зменшується, що не виключає наявність у матеріалі і відносно великих пор, але кількість дрібних превалює.

Четвертий розділ присвячений аналізу впливу швидкості деформації на ефективну реакцію пористого тіла з використанням теорії пластичності з метою урахування швидкісної чутливості та оцінки її впливу на пластичну течію.

Мікромеханічний підхід до вирішення даного питання заснований на аналізі поводження елементарної комірки у виді порожнього циліндра (рис.4).

Матеріал твердої фази, передбачуваний нестисливим, розташований в області . Внутрішня область є порожнечею.

Рис. 4. Циліндрична елементарна комірка

Виходячи з того, що поводження матеріалу комірки може бути задано відомими рівняннями зв’язку компонент тензора напруг з компонентами тензора швидкостей деформацій, отримані співвідношення полів швидкостей деформацій в комірці на мікро- і макроскопічному рівнях, а також рівняння їхнього зв’язку:

(6)

(7)

(8)

де - радіальна компонента вектора швидкості деформації; - висота циліндра і швидкість її зміни відповідно; - локальні компоненти тензора швидкостей деформацій в комірці; - макроскопічні компоненти тензора швидкостей деформацій.

На підставі виведених залежностей і, оперуючи таким поняттям як швидкість диссипации енергії у випадку жорстко-пластичного тіла, яке зміцнюється, а також з використанням операцій осереднення, отримані залежності пластичного коефіцієнта Пуассона і зв’язаного з ним коефіцієнта бічного тиску :

(9)

які крім швидкості деформації і пористості містять константи матеріалу і , що характеризують співвідношення внесків від різних механізмів течії і визначають швидкісну чутливість матеріалу твердої фази. Залежності (9) отримані для закону течії твердої фази відмінного від ступеневого.

Пластичний коефіцієнт Пуассона вже не є функцією винятково пористості, як постулюється у традиційних моделях теорії пластичності пористих тіл. Його величина залежить від швидкості деформації і зменшується з ростом останньої, що свідчить про зменшення радіальної деформації пористого тіла. Величина пластичного коефіцієнта Пуассона також залежить і від швидкісної чутливості, яка характеризується параметром . У відсутності даної особливості матеріалу величина визначається головним образом тільки пористістю. Однак, аналіз залежності (9) показує, що існує така як завгодно велика швидкість деформації, при якій пластичний коефіцієнт Пуассона буде залежати тільки від пористості поза залежності від констант швидкісної чутливості матеріалу. Мікромеханічний підхід дозволяє провести лише якісний аналіз впливу швидкості деформації на пластичну течію пористих тіл і не дає кількісної оцінки процесу.

Отримані раніше експериментальні дані дозволяють з використанням феноменологічного підходу прояснити кількісну картину впливу швидкості деформації на пластичну течію пористих тел.

При виведенні визначальних рівнянь узагальненої феноменологічної моделі з урахуванням швидкісної чутливості використані основні рівняння теорії пластичності пористих тіл:

(10)

де і - гідростатичний тиск і інтенсивність дотичних напруг; і - швидкість зміни об’єму і швидкість зміни форми; - еквівалентна швидкість деформації твердої фази; і - функції пористості; - напруга течії твердої фази.

В класичних моделях теорії пластичності функції пористості і пластичний коефіцієнт Пуассона виражають у формі:

(11)

Для урахування швидкісної чутливості запропонований модифікований вид функції пористості:

(12)

де і - матеріальний параметри, що є мірою чутливості пористого тіла до швидкості деформації, які визначено із випробування на осьове стискання:

(13)

(14)

Встановлено, що параметр характеризує чутливість еволюції порового простору деформуємого пористого тіла до швидкості деформації і може бути визначений як коефіцієнт швидкісної чутливості процесу ущільнення або коефіцієнт інтенсивності ущільнення. Параметр характеризує чутливість процесу зміцнення до швидкості деформації і може бути визначений як коефіцієнт швидкісної чутливості процесу зміцнення або коефіцієнт інтенсивності зміцнення.

Контури пластичного потенціалу, що відповідають умові пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл розширюються з ростом останньої як уздовж осі гідростатичного тиску, так і уздовж осі інтенсивності дотичних напруг (рис.5).

Рис.5. Контури пластичного потенціалу:

и0 = 20%, 1- с-1; 2- с-1; и0 = 6%, 3-  с-1; 4-  с-1

На основі запропонованої моделі визначений граничний ступінь деформації при осьовому розтягненні пористих зразків. Він може бути визначений як такий, що забезпечує екстремум розрахункової залежності дійсна напруга течії – логарифмічна деформація і може бути використаний в якості оцінки ресурсу пластичності при деформуванні пористих тіл.

У п'ятому розділі узагальнена феноменологічна модель теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл застосована до рішення таких технологічних задач обробки тиском пористих заготовок як стискання у прес-формі і радіальне обтиснення у посудині з гладкими жорсткими стінками (рис.6).

а б

Рис.6. Схеми деформування: а) стискання у прес-формі з гладкими жорсткими

стінками, б) радіальне обтиснення у посудині з гладкими жорсткими стінками

В результаті отримані залежності для розрахунку вихідних розмірів заготовки і тиску пресування для випадку стискання в прес-формі з гладкими жорсткими стінками у вигляді:

(15)

де - накопичена деформація твердої фази.

У випадку радіального обтиснення ці величини мають вигляд:

(16)

Залежність тиску пресування, віднесеного до реологічних властивостей матеріалу твердої фази і геометричних розмірів заготовки від вихідної пористості, розраховані по формулам (15) і (16), представлені на рис.7. Дані залежності побудовані в припущенні необхідної пористості виробу 2%.

а б

Рис.7. Залежність відносного тиску пресування від вихідної пористості:

а) стиск у прес-формі з гладкими жорсткими стінками: 1 - = 0,10; 2 - = 0,20; 3 - = 0,30; 4 - = 0,40; 5 - = 0,50; б) радіальне обтиснення у посудині з гладкими жорсткими стінками: 1 - = 0,20; 2 - = 0,30; 3 - = 0,40; 4 - = 0,50

? – динамічне деформування; ¦ – статичне деформування

Відносний тиск пресування розглядається як функція швидкісної чутливості. У даному представленні використання статичного навантаження підвищує загальний тиск пресування, у той час як динамічне навантаження понижує його.

Розроблено методику розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок, що рекомендується для розрахунку вихідних розмірів заготовки і тиску пресування при різних механічних схемах деформування. Запропонована методика експериментально перевірена для випадку стискання в прес-формі з гладкими жорсткими стінками мідних зразків. Розрахунки показали, що осьовий тиск у динаміці в середньому в 2,5-3 рази перевищує тиск при статичному деформуванні (рис.8). Для всіх розрахованих значень тиску погрішність у визначенні даних величин лежить у межах 7-10%.

Рис. 8. Залежність осьового тиску від пористості при стисканні в прес-формі без тертя для різних значень ступеню деформації: 1 - = 0,18; 2 - = 0,26; 3 - = 0,34; 4 - = 0,41; ¦, ? – розрахункові дані відповідно при статичному і динамічному деформуванні ; 0, ? – експериментальні дані відповідно при статичному і динамічному деформуванні

ВИСНОВКИ

У дисертації дане нове рішення науково-технічної задачі по використанню швидкісної чутливості порошкових пористих тіл, спрямоване на удосконалення розрахунку робочих параметрів технологічного процесу отримання виробів із порошкових матеріалів обробкою тиском.

1. Досліджено вплив швидкості деформації на зміну пористості і зміцнення твердої фази при осьовому стисканні при статичному і динамічному деформуванні. Процес зменшення пористості характеризується коефіцієнтом інтенсивності ущільнення, який зменшується з ростом ступеня деформації і збільшується з ростом швидкості деформації.

2. Визначено показник деформаційного зміцнення, який дорівнює 0,97, що відповідає компактним металам, які мають г.ц.к. кристалічні ґратки. Цей показник не залежить від швидкості деформації і пористості.

3. З урахуванням показника деформаційного зміцнення побудовані стадійні криві зміцнення, кількість стадій на яких залежить від швидкості деформації і визначає зміну механізму структуроутворення твердої фази. Коефіцієнт деформаційного зміцнення зменшується з кожною із стадій. При статичному навантаженні його величина менше, ніж при динамічному. Визначено щільність дислокацій пористої міді, яка росте зі збільшенням швидкості деформації, у відмінності від компактних матеріалів, у яких щільність дислокацій з ростом швидкості деформації практично не змінюється.

4. Досліджено вплив швидкості деформації на еволюцію геометричних параметрів просторової мікроструктури. З ростом швидкості деформації середній статистичний розмір пор зменшується.

5. З використанням мікромеханічного підходу до аналізу поводження елементарної комірки пористого тіла та процедур осереднення на якісному рівні встановлена швидкісна залежність пластичного коефіцієнта Пуассона, який характеризує поперечну деформацію і є функцію пористості. Величина коефіцієнта Пуассона зменшується з ростом швидкості деформації і збільшенням пористості.

6. Феноменологічний підхід до аналізу впливу швидкості деформації на пластичну течію пористого тіла дозволив дати кількісну оцінку швидкісної залежності пластичного коефіцієнта Пуассона. Використовується новий вид функцій пористості, що містять два матеріальних параметри, які характеризують швидкісну чутливість пористих тіл. Один з параметрів характеризує чутливість еволюції порового простору деформуємого пористого тіла до швидкості деформації і може бути визначений як коефіцієнт швидкісної чутливості процесу ущільнення або коефіцієнт інтенсивності ущільнення. Другий параметр характеризує чутливість процесу зміцнення до швидкості деформації і може бути визначений як коефіцієнт швидкісної чутливості процесу зміцнення або коефіцієнт інтенсивності зміцнення.

7. З використанням нових визначальних рівнянь теорії пластичності пористих тіл, побудовані контури пластичного потенціалу, які змінюються з ростом швидкості деформації в напрямку осі гідростатичного тиску і інтенсивності дотичних напруг. Встановлений зв’язок між осьовою та еквівалентною швидкостями деформації.

8. Адекватність запропонованої феноменологічної моделі теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл перевірена для випадку осьового розтягнення пористого заліза. Показано, що погрішність у визначенні розрахункових значень пористості в порівнянні з експериментальними даними лежить в інтервалі 2-5%.

9. Проведений розрахунок граничного ступеня деформації при осьовому розтягненні. Показано, що на розрахунковій кривій деформаційного зміцнення виявляється пік, що відповідає деякому критичному ступеню деформації, при якому починається руйнування на мікрорівні. Критичний ступінь деформації рекомендується використовувати в якості оцінки ресурсу пластичності при деформуванні пористих тіл.

10. На основі узагальненої феноменологічної моделі з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл для схем деформування стискання у прес-формі з гладкими жорсткими стінками і радіальне обтиснення створені рівняння зв’язку вихідних розмірів заготовки і пористості з кінцевими розмірами виробу і рівняння для розрахунку тиску. У цих залежностях пористість є функцією швидкості і ступеня деформації, а напруги залежать від накопиченої деформації твердої фази і розраховуються з урахуванням коефіцієнтів швидкісної чутливості. Методика розрахунку для випадку стискання в прес-формі з гладкими жорсткими стінками перевірена експериментально.

11. На основі розробленої узагальненої феноменологічної моделі з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл запропонована методика розрахунку початкових розмірів заготовки і тиску пресування, яка рекомендується для використання при різних схемах деформування пористих тіл.

12. Методика розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок з урахуванням швидкісної чутливості для отримання порошкових виробів застосована на ТОВ “Ферит”. Результати роботи використані в навчальному процесі при викладанні дисциплін спеціальності “Композиційні і порошкові матеріали, покриття”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рябичева Л.А., Черепахина Л.П., Кравцова Ю.В. Механические свойства пористого железа после предварительной деформации // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: вид-во СНУ, 2001. – С.227-230.

2. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Деформационное упрочнение порошковой меди при одноосном сжатии // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ, 2001. – С. 398-401.

3. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Влияние скорости деформации на эволюцию пористой структуры и упрочнение твердой фазы при сжатии // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2002.-С.265-268.

4. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Применение модели процессов деформирования сжимаемых материалов с учетом порообразования к решению задачи свободной осадки // Физика и техника высоких давлений.– 2002. – Т. , №2. – С. 87-94.

5. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. К вопросу определения показателя деформационного упрочнения пористых тел // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. В 2-х ч. Ч. 2 – Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2003. – C. 3-8.

6. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Анализ упрочнения порошковой меди с использованием уравнения пластичности // Вісник СНУ ім. В. Даля. – .  №3(49). - С.209-214.

7. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Влияние высоких скоростей деформации на деформирование пористых заготовок при динамическом нагружении // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ - Слов’янськ, 2003. – С. 246-251.

8. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Влияние условий деформирования на характер течения пористого материала при одноосном сжатии // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 5. Пластична деформація металів, Дніпропетровськ: “Системні технології”. - 2002. – С. 133-137.

9. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Модель процессов деформирования пористых тел с учетом скоростной чувствительности // Физика и техника высоких давлений. – 2004. - т.14, №1. – С. 54-61.

10. Кравцова Ю.В., Рябичева Л.А., Штерн М.Б. Расчет предельной степени деформации при одноосном растяжении пористых образцов // Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении: Труды Института пробл. Материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины. Серия: Моделирование в материаловедении. Редкол.: Скороход В.В. и др. – К., 2003. – Вып.6, С.125-134.

11. Рябичева Л.А., Кравцова Ю.В. Влияние скорости деформации на эффективную реакцию пористого тела // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ, 2004. – С. 296-303.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[1] – виконані експериментальні дослідження та аналіз впливу температури пресування на еволюцію пористості;

[2], [3] – проведені експериментальні дослідження, виконаний аналіз впливу швидкості деформації на еволюцію пористості;

[4], [6], [8], [9], [10], [11] – розроблені моделі теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл та ефектів пороутворення, які основані на мікромеханічному та феноменологічному підходах;

[5], [7] – проведені експериментальні дослідження, виконаний аналіз впливу швидкості деформації на деформаційне зміцнення пористої міді при статичному та динамічному деформуванні.

АНОТАЦІЯ

Кравцова Ю.В. Вплив швидкості на робочі параметри процесу деформування пористих заготовок у відкритих і закритих об’ємах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2004.

Дисертація спрямована на удосконалення теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл і розробку методики розрахунку робочих параметрів технологічного процесу отримання виробів з порошкових матеріалів обробкою тиском.

Досліджено вплив швидкості і ступеня деформації на пластичну течію пористих тіл при статичному і динамічному деформуванні. Показано вплив швидкості деформації на розмір і морфологію пористої структури, а також на щільність дислокацій у твердій фазі.

Для якісного аналізу впливу швидкості деформації на пластичну течію пористих тіл розроблена мікромеханічна модель. Отримані залежності для пластичного коефіцієнта Пуассона і коефіцієнта бокового тиску. Показано, що пластичний коефіцієнт Пуассона є функцією не тільки пористості, а також залежить і від параметрів швидкісної чутливості пористих тіл.

З метою отримання кількісної оцінки впливу швидкості деформації використаний феноменологічний підхід. Для урахування впливу швидкості деформації запропонований новий вид функцій пористості, які містять два нових матеріальних параметри, що є мірою чутливості пористого тіла до швидкості деформації.

На основі запропонованої в дисертації узагальненої феноменологічної моделі теорії пластичності з урахуванням швидкісної чутливості пористих тіл, розроблена методика розрахунку робочих параметрів процесу деформування пористих заготовок у відкритих і закритих об’ємах, яку впроваджено на ТОВ “Ферит”.

Ключові слова: швидкісна чутливість, пористе тіло, інтенсивність ущільнення, інтенсивність зміцнення, репрезентативний елемент, елементарна комірка, пластичний коефіцієнт Пуассона, мікромеханічна модель, феноменологічний аналіз, стиск у прес-формі, радіальне обтиснення.

АННОТАЦИЯ

Кравцова Ю.В. Влияние скорости на рабочие параметры процесса деформирования пористых заготовок в открытых и закрытых объемах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2004.

Диссертация направлена на совершенствование теории пластичности с учетом скоростной чувствительности пористых тел и разработку методики расчета рабочих параметров технологического процесса получения изделий из порошковых материалов обработкой давлением.

Исследовано влияние скорости деформации на пластическое течение пористых тел при одноосном сжатии при статическом и динамическом деформировании. Оценено влияние степени деформации и пористости на развитие процесса уплотнения при различных скоростях деформации. Обнаружена стадийность процесса уплотнения и определен коэффициент интенсивности уплотнения. Дан анализ влияния скорости деформации на развитие процесса упрочнения. Определены показатель и коэффициент